汽车电子CAN FD控制芯片MCU接口电路设计

CAN总线技术不仅涉及汽车电子和轨道交通，还涉及医疗器械、工业控制、智能家居和机器人网络互连，这些行业对CAN产品的稳定性和抗干扰能力都有很高的要求。

上篇我们讲了在汽车CAN FD上，数据出错可能导致数据位被错误地解析为填充位，或者填充位被错误地解析为数据位，使数据位和填充位的个数发生变化，CAN FD采用了差分信号传输数据，通信的可靠性很高，错误位个数达到8的概率几乎为0。

那么秉承着与其后期解决不如前期规避的设计思路，就能设计出满足行业应用，规避奇葩问题的干扰，设计出符合汽车、交通运输、医疗器械、工业控制、智能家居和机器人网络互连的高可靠性CAN产品。

拿车身域控制芯片来举例，车身域主要负责车身各种功能的控制。随着整车发展，车身域控制器也越来越多，为了降低控制器成本，降低整车重量，集成化需要把所有的功能器件，从车头的部分、车中间的部分和车尾部的部分如后刹车灯、后位置灯、尾门锁，甚至双撑杆统一集成到一个总的控制器里面来。

车身域控制器一般集成BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能，也可拓展增加座椅调节、后视镜控制、空调控制等功能，综合统一管理各执行器，合理有效地分配系统资源。车身域控制器的功能众多，包括实现灯光控制、雨刮控制、门窗控制、后视镜折叠控制、PEPS、座椅控制等，其中灯光控制部分就包括了近光灯、远光灯、位置灯、转向灯、刹车灯、日行灯，雨刮部分包括了低速雨刮、高速雨刮、间隔控制和点刮，门窗控制部分包括了四门闭锁、碰撞解锁、自动落锁、车窗升降及百分比、车窗防夹及一键升窗，后视镜包括了折展、调节及加热，PEPS包括了无钥匙启动、无钥匙进入、迎宾功能、发动机防盗、整车电源控制与管理，座椅包括控制调节与通风、加热，其他还包括OTA及远程诊断、升级、刷写等等，但包含了不限于在此列举的功能。搭载汽车也包括了奔驰、宝马、奥迪、保时捷、特斯拉、比亚迪、理想汽车、大众、丰田、本田、坦克、福特等多个全球排名优秀的车企。

速锐得在14年从OBD进入汽车CAN总线领域，就对MCU控制芯片的主要诉求为更好的稳定性、可靠性、安全性、实时性等技术特性要求，以及更高的计算性能和存储容量，更低的功耗指标要求。以前采用Microchip、ST为主控，芯片荒后采用了国产替代，但是在CAN FD领域，依旧采用了进口芯片。车身域控制器从分散化的功能部署，逐渐过渡到集成所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、车灯、车门、车窗等的大控制器，车身域控制系统设计综合了灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗等控制，PEPS智能钥匙、电源管理等，以及网关CAN、可扩展CAN FD和FLEXRAY、LIN网络、以太网等接口和模块等多方面的开发设计技术。

综合来讲，车身域上述各种控制功能对MCU主控芯片的工作要求主要体现在运算处理性能、功能集成度和通信接口，以及可靠性等方面。具体要求方面由于车身域不同功能应用场景的功能差异性较大，例如电动车窗、自动座椅、电动尾门等车身应用还存在高效电机控制方面的需求，这类车身应用要求MCU集成有FOC电控算法等功能。此外，车身域不同应用场景对芯片的接口配置需求也不尽相同，因此，通常需要根据具体应用场景的功能和性能要求，并在此基础上综合衡量产品性价比、供货能力与技术服务等因素进行车身域MCU选型。

车身域电子系统不论是对国外企业还是国内企业都处于成长初期。国外企业在如BCM、PEPS、门窗、座椅控制器等单功能产品上有深厚的技术积累，同时各大外企的产品线覆盖面较广，为他们做系统集成产品奠定了基础。而国内企业新能源车车身应用上具有一定优势。以BYD为例，在BYD的新能源车上，将车身域分为左右后三个域，重新布局和定义系统集成的产品。但是在车身域控制芯片方面，MCU的主要供货商为仍然为英飞凌、恩智浦、瑞萨、Microchip、ST等国际芯片厂商，国产芯片厂商目前市场占有率低。

从通信角度来看，存在传统CAN架构到CAN与CAN FD合并，走向CAN FD的演变过程。这里面通信速度的变化，还有带高功能安全的基础算力的价格降低是关键，未来有可能逐步实现在基础控制器的电子层面兼容不同的功能。例如车身域控制器能够集成传统BCM、PEPS、纹波防夹等功能。相对来说，车身域控制芯片的技术壁垒要低于动力域、智能驾舱域等，国产芯片有望率先在车身域取得较大突破并逐步实现国产替代，近年来，国产MCU在车身域前后装市场已经有了非常好的发展势头。

目前国产车载控制域芯片主要应用于汽车前装市场，在车身域、信息娱乐域实现了上车应用，而在底盘、动力域等领域，仍以海外意法半导体、恩智浦、德州仪器、微芯半导体、意法等芯片巨头为主，国内仅有少数几家企业已实现量产应用。

国内芯片厂商芯驰在2022年4月发布高性能控制芯片E3系列产品基于ARM Cortex-R5F，功能安全等级达到ASIL D，温度等级支持AEC-Q100 Grade 1，CPU主频高达800MHz，具有高达6个CPU内核，是现有量产车规MCU中性能最高的产品，填补国内高端高安全级别车规MCU市场的空白。芯驰E3凭借高性能和高可靠性，可以用于BMS、ADAS、VCU、线控底盘、仪表、HUD、智能后视镜等核心车控领域。

当然，如果只是简单的基础CAN数据收发和简单控制，其实采用意法半导体的基本也就够了，不管是CANFD还是标准CAN2.0，海外意法半导体都能满足这些需求。CAN设备的典型硬件电路通常由三个部分组成，CAN控制器电路、CAN收发器电路及功能电路。在实际开发应用中，CAN控制器电路可以选择两种方案，一是微控制器MCU外挂独立CAN收发器，二是集成CAN控制器的MCU，设计新产品时，建议采用方案二，理由是内置CAN控制器的MCU具有更快处理报文机制和更大的报文缓冲区，方案一常用于MCU不带CAN控制器或者CAN控制器数量不够的场合，设计时若外挂多个CAN控制器应注意MCU的中断响应及数据处理能力。10年前，很多设备跑串口数据，数据输出太快都跑死机的都有，现在倒是不会了。

无论采用标准CAN还是CANFD，CAN控制器都是电路的核心元件，集成了CANBUS规范中数据链路的全部功能，能够将TXRX引脚上的电平自动完成CANBUS协议解析。在CAN设备中，MCU主要用于操作CAN控制器和驱动实际功能电路，例如，MCU在设备启动时初始化CAN控制器的工作参数，比如波特率、验收滤波，在CAN控制器发生中断时处理CAN控制器的异常中断；在总线通信过程中通过CAN控制器读取和发送CAN帧，在破解汽车CAN协议中，采集原车CAN数据，根据接收到的数据输出对应的CANID及字节控制信号以及驱动功能电路完成预定的功能。

CAN收发器电路决定了整个CAN设备通信电气上的可靠性和稳定性，采用体积小、隔离能力强、使用方便等优势就可以了。

功能电路是CAN设备实现的应用功能，例如I/O电路、采集电路、电机驱动电路等等。